隨各個行業(yè)的發(fā)展，對生產(chǎn)商品的質(zhì)量指標(biāo)要求亦越來越高，尤其在化工、造紙、食品、制藥等過程行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行中，需要隨時關(guān)注體系物料的變化。對于變化的運(yùn)行過程，離線的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果的滯后性常迫使操作者對實(shí)時情況一知半解就做出判斷。為確保最終獲得合格產(chǎn)品，以離線計(jì)量為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)質(zhì)量保證體系正在向以在線或現(xiàn)場傳感器為基礎(chǔ)的過程控制新質(zhì)量保證體系轉(zhuǎn)移。

目前，一般在線測量與控制系統(tǒng)僅限于溫度、壓力和流量等，而對過程中化學(xué)成分和許多物性變量仍不能進(jìn)行有效的連續(xù)測量，這些特殊變量卻是表征生產(chǎn)狀況的重要，甚至是決定性的指標(biāo)參數(shù)，因此，在線光譜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是以現(xiàn)場狀況下基于分子水平基礎(chǔ)上的微觀物理量和微觀化學(xué)量的光譜傳感技術(shù)，依托于微小型光纖光譜儀的使用，在化工、制藥、輕工和高分子材料等工業(yè)部門的過程監(jiān)測中發(fā)揮著重要的作用。

1. 微小型光纖光譜儀的出現(xiàn)

物質(zhì)發(fā)射、吸收、散射的光輻射，其頻率和強(qiáng)度與物質(zhì)的含量、成分、結(jié)構(gòu)有確定的關(guān)系，基于光譜測量而衍生出的應(yīng)用也非常廣泛，因此，科研工作者們根據(jù)應(yīng)用的需要不斷地改進(jìn)光譜儀器[1]。

電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使光譜儀器向著高精度、自動化、智能化的方向發(fā)展。許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庾V儀器提出了更高的要求，即光譜儀器的尺寸的縮小比提高其分辨率更為重要。而傳統(tǒng)的光譜儀，雖然精度高，但存在體積大、價(jià)格高、安裝調(diào)試?yán)щy、使用條件苛刻等不足，微小型光譜儀便成了目前研究的熱點(diǎn)[2]。在其發(fā)展過程中，主要有采用光柵作為分光元件和以干涉原理進(jìn)行分光這兩類儀器[3-5]。

自20世紀(jì)90年代以來，由于光纖具有很高的傳輸信息容量，可同時反映多維信息，這些優(yōu)勢相對于聲電傳感器而言是難以比擬的。隨光通信技術(shù)對光纖的需求增長，開發(fā)出低損耗的石英光纖，降低了成本，將光纖與光譜技術(shù)相結(jié)合的微型結(jié)構(gòu)的光纖光譜儀引起了許多人的關(guān)注[6],并在各種光譜測量及相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，光纖光譜儀是微型光譜儀器發(fā)展的重要方向[7]。

2. 微小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需通過旋轉(zhuǎn)光柵對整個光譜進(jìn)行掃描，測量速度慢，并且對某些樣品還需經(jīng)過特定的預(yù)處理手段后，放在儀器的固定樣品室內(nèi)進(jìn)行測量。與之相比，微小型光纖光譜儀有很多優(yōu)點(diǎn)，如：重量輕，體積小，價(jià)格低（體積只有之前系統(tǒng)的1/1000，造價(jià)為原來的1/10），測量速度非?？?，不必使用機(jī)械掃描就能獲取全譜數(shù)據(jù)，而且通過光纖的傳導(dǎo)作用，可脫離樣品室測量，適用于在線實(shí)時檢測。

2.1 光學(xué)平臺

光譜儀微型化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)得益于攝譜結(jié)構(gòu)，最初的光學(xué)平臺采用對稱式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)[8]，荷蘭Avantes公司生產(chǎn)的微小型光纖光譜儀即使用了這種光學(xué)平臺設(shè)計(jì)（圖1所示）。光信號由光纖傳導(dǎo)經(jīng)過一個標(biāo)準(zhǔn)的SMA905接口進(jìn)入光譜儀內(nèi)部，經(jīng)球面鏡準(zhǔn)直，然后由一塊平面光柵分光后，將入射光分成按一定波長順序排列的單色光，再由聚焦鏡聚焦到一維線性CCD線性陣列探測器上進(jìn)行檢測。

 

圖1 對稱式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)圖　　光譜儀內(nèi)部構(gòu)件布局更緊湊，可進(jìn)一步小型化(USB4000系列光譜儀的尺寸規(guī)格僅為89.1×63.3×34.4mm，可以安裝在一個小到足以放入手掌的測量平臺)。與對稱式Crerny-Turner結(jié)構(gòu)相比，由于縮短了光程，使聚焦鏡投射到線性CCD陣列檢測器的平行排列單色光展成呈一定角度的圓弧排列，會對光信號的檢測會產(chǎn)生一定的非線性誤差。

圖2 非對稱交叉式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)圖　　攝譜結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺設(shè)計(jì)使微小型光纖光譜儀內(nèi)部無活動構(gòu)件，光學(xué)元件都采用反射式，可在一定程度上減少像差，并使工作光譜范圍不受材料影響。儀器小型化全固定件的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可適應(yīng)高震動、狹窄空間等復(fù)雜的工況環(huán)境檢測的需要。

2.2 儀器的特點(diǎn)

低損耗光纖、低噪聲高靈敏CCD陣列檢測器、全息光柵和小型高效半導(dǎo)體等新型光電子器件的引入，使微小型光譜儀器性能明顯提高，具有以下特點(diǎn)[9-10]：

（1）光纖技術(shù)的引入，使待測物脫離了樣品池的限制，采樣方式變得更為靈活，利用光纖探頭把遠(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀器，以適應(yīng)被測樣品的復(fù)雜形狀和位置。由光纖引入光信號還可使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，可增強(qiáng)對惡劣環(huán)境（潮濕氣候、強(qiáng)電場干擾、腐蝕性氣體）的抵抗能力，保證了光譜儀的長期可靠運(yùn)行，延長使用壽命。

（2）以電荷耦合器件（CCD）陣列作為檢測器，對光譜的掃描不必移動光柵，可進(jìn)行瞬態(tài)采集，響應(yīng)速度極快（測量時間為13～15ms），并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時輸出。

（3）采用全息光柵作為分光器件，雜散光低，提高了測量精度。

（4）應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，極大地提高了光譜儀的智能化處理能力。

光纖光譜儀測量系統(tǒng)還具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)應(yīng)用的不同需要選擇組件（包括各種不同類型的采樣光纖探頭，色散元件，聚焦光學(xué)系統(tǒng)和檢測器等），搭建光學(xué)平臺。雖然微小型光纖光譜儀的測量精度被認(rèn)為低于傳統(tǒng)的移動光柵-光電管設(shè)計(jì)的離線光度計(jì)，但已達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場光譜分析的要求。

2.3 光纖探頭的采樣方式

結(jié)合光纖傳導(dǎo)技術(shù)，光纖光譜儀的在線監(jiān)測系統(tǒng)變得十分靈活，可應(yīng)用不同類型的附件,實(shí)現(xiàn)各種采樣方式。探頭的外面還有保護(hù)層，使之具有耐高溫和抗化學(xué)腐蝕等性能。

圖3為標(biāo)準(zhǔn)反射式探頭結(jié)構(gòu)圖，光纖束有7根光纖組成，通過標(biāo)準(zhǔn)SMA905接頭，可把光源發(fā)出的光耦合進(jìn)由6根光纖組成的光纖束中，傳導(dǎo)到探頭末端，被測表面反射回來的光進(jìn)入第7根光纖把信號傳輸入光譜儀內(nèi)檢測。

圖3反射式光纖探頭　　此外，對其進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)衍生出各種適應(yīng)不同檢測要求的光纖探頭。

 

圖4 各式光纖探頭

 

　　圖4-A是透射式浸入探頭，在探頭末端有一段1mm、2.5mm或5mm的缺口，光通過此物理間隙由底部的白色漫反射材料反射回連接到光譜儀的光纖，信號進(jìn)入儀器內(nèi)進(jìn)行檢測。通過把探頭浸入或固定在液體中，可在線測量吸收率。圖4-B是工業(yè)用熒光探頭，它在反射式探頭末端加裝特殊的附件，變?yōu)橐粋€45。角的前端視窗，該附件可有效防止周圍環(huán)境光進(jìn)入探頭，并屏蔽激發(fā)光來增強(qiáng)熒光信號。被測液體光程還可在0-5mm之間調(diào)節(jié)。

由于拉曼散射信號較弱，受干擾影響大，故用于拉曼光譜測量的光纖探頭光路設(shè)計(jì)較為特別(圖5所示)。